计算机操作系统之设备管理

1、第五章西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月内容西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1 I/O系统 西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1 I/O系统 西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月二、设备与控制器之间的接口西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1.2 设备控制器 4.4.西华大学数学与计算机学院 蒋明礼西华大学数学与计算机学院 蒋明礼西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1.3 I/O通道西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1.3 I/O通道西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1.4 总线

2、系统 设备控制器：与设备是一对多的关系，系统是通设备控制器：与设备是一对多的关系，系统是通过它与设备通信过它与设备通信 系统系统设备控制器设备控制器 设备设备 如：磁盘设备，打印设备如：磁盘设备，打印设备 缺点：总线瓶颈，缺点：总线瓶颈，CPUCPU瓶颈。瓶颈。西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.1.4 总线系统 西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.2 I/O控制方式西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.2.1 程序I/O（忙等待方式）西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.2.2 中断I/O西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.2

3、.3 DMA方式用于块设备中西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月Direct Memory Access 2007年1月西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月DMA西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月DMA西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月DMA西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.2.4 I/O通道控制方式 操作操作P PRecordRecord计数计数内存地址内存地址WriteWrite0 00 08080813813WriteWrite0 00 014014010341034WriteWrite0 01 1606058305830Wri

4、teWrite0 01 130030020002000WriteWrite0 00 025025018501850WriteWrite1 11 1250250720720西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.3 缓冲管理目的：组织管理、分配、释放目的：组织管理、分配、释放bufferbuffer5.3.1 5.3.1 引入引入1.1.缓和缓和CPUCPU和和I/OI/O设备间速度不匹配的矛盾。设备间速度不匹配的矛盾。如：计算如：计算打印打印bufferbuffer打印打印2.2.减少对减少对CPUCPU的中断频率的中断频率如：如：bufferbuffer越大，越大，“bufferb

5、uffer满满”信号发生信号发生频率越低。频率越低。3.3.提高提高CPUCPU和和I/OI/O并行性并行性 西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.3 缓冲管理5.3.2 5.3.2 单缓冲单缓冲 由于由于C C和和T T可并行，可并行，M M和和C C或或M M和和T T不能并行，因此处理一不能并行，因此处理一块数据时间：块数据时间：Max(C,T)+MMax(C,T)+M 用户进程何时阻塞？用户进程何时阻塞？西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.3 缓冲管理5.3.25.3.2双缓冲双缓冲 效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。

6、 系统处理一块数据的时间约为：系统处理一块数据的时间约为：MAX(C,T)MAX(C,T) 收发可双向同时传送。（图收发可双向同时传送。（图5 51313）西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.3 缓冲管理5.3.3 5.3.3 循环多缓冲循环多缓冲类型：类型：R:R:空缓冲；空缓冲；G G：满缓冲；：满缓冲；C C：当前缓冲：当前缓冲西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月循环多缓冲的使用nextnextg g：指示下一个应取数据的：指示下一个应取数据的bufbufnextnexti i：指示下一个空：指示下一个空buf.buf.GetbufGetbuf：取取nextnex

7、tg g对应缓冲区提供使用，将对应缓冲区提供使用，将NextNextg g置为空，置为空，NextNextg g= =（NextNextg g+1+1）Mod NMod N将将NextNexti i对应缓冲区提供使用，将对应缓冲区提供使用，将NextNexti i置为满，置为满，NextNexti i= =（NextNexti i+1+1）Mod NMod NReleasebuf:Releasebuf:若若C C满，则改为满，则改为G G；若若C C空，则改为空，则改为R R；西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月循环多缓冲的同步问题NextNexti i 追上追上NextNextg

8、g：表示输入速度表示输入速度 输出速度，全部输出速度，全部bufbuf满，这满，这时输入进程时输入进程阻塞阻塞NextNextg g追上追上NextNexti i：输入速度输入速度 SPi SPi为为n n在输入中分配空间在输入中分配空间设备数据由输入设备数据由输入bufbuf送输入送输入#生成生成输入请求输入请求表表挂输入请求队列。挂输入请求队列。b.CPUb.CPU空空取请求表中的任务取请求表中的任务, ,送进程缓冲区。送进程缓冲区。（2 2）输出：（打印）输出：（打印）a.a.进程进程n n请求请求SPoSPo为为n n在输出在输出# #中分配空间中分配空间将将数据由进程数据由进程buf

9、buf转到输出转到输出#生成一生成一打印请求打印请求表表挂打印请求队列。挂打印请求队列。b.b.打印机空打印机空查打印请求表中的任务查打印请求表中的任务 取输取输出中对于数据出中对于数据输出输出buf buf 打印打印西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月4特点 1.1.提高提高I/OI/O速度：速度：对低速设备操作对低速设备操作变为对输入变为对输入/ /出出# #操作。操作。2.2.将独占设备改造为共享设备将独占设备改造为共享设备分配设备的实质时分配输入分配设备的实质时分配输入/ /出出# #3.3.实现了虚拟设备功能实现了虚拟设备功能西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5

10、.5设备处理设备处理程序即是设备驱动程序。设备处理程序即是设备驱动程序。设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的功能和特点设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月设备驱动程序的功能和特点功能：功能：接收进程的接收进程的I/O命令命令检查命令合法性检查命令合法性检查设备状态检查设备状态设置设备工作方式设置设备工作方式驱动驱动I/O操作操作响应设备中断响应设备中断构成通道程序构成通道程序西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月设备驱动程序的功能和特点特点：特点：和硬件紧密相关、各个设备有自己的设备驱动和硬件紧密相关、各个设备有自己的设备驱动西华

11、大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.5.2设备驱动程序处理过程包括包括启动过程启动过程中断处理过程中断处理过程启动过程启动过程将抽象要求转化为具体要求将抽象要求转化为具体要求检查检查I/O请求合法性请求合法性读出和检查设备状态读出和检查设备状态传送必要的参数传送必要的参数设置工作方式设置工作方式启动启动I/O设备设备西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.5.3中断处理程序流程流程设备启动设备启动I/O完成完成发送中断发送中断CPU调用中断调用中断处理过程处理过程中断处理过程中断处理过程唤醒被阻塞的唤醒被阻塞的驱动驱动程序进程程序进程保护被中断进程环境保护被中断进程环境转入

12、相应的设备处理程序转入相应的设备处理程序中断处理中断处理(特性特性)恢复被中断进程的现场恢复被中断进程的现场西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6磁盘存储器管理5.6.1 5.6.1 磁盘性能简述磁盘性能简述 一、数据组织和格式（图一、数据组织和格式（图5 52222）磁道磁道扇区扇区字节字节二、类型二、类型1.1.固定头磁盘：固定头磁盘：每个磁道上有一个磁头，快每个磁道上有一个磁头，快2.2.移动头磁盘：移动头磁盘：每个盘面仅有一个磁头，慢每个盘面仅有一个磁头，慢 西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.1 磁盘性能简述三、磁盘访问时间：三、磁盘访问时间：1.1.

13、寻道时间：寻道时间：T TS S=m=m* *n+Sn+Sm m：常量，：常量，n n：磁道数，：磁道数，s s：磁盘启动时间。：磁盘启动时间。2.2.旋转延时间旋转延时间TrTr：指定扇区旋转到磁头下所需时间。指定扇区旋转到磁头下所需时间。设每秒设每秒r r转，则转，则TrTr1/2r1/2r（均值）（均值）3.3.数据传输时间数据传输时间TtTtb/rNb/rNb b：读写字节数：读写字节数N N：每道上的字节数：每道上的字节数访问时间：访问时间：Ta=Ts+1/2r+b/rNTa=Ts+1/2r+b/rN可见，由于特定磁盘，只有集中放数据，集中读可见，由于特定磁盘，只有集中放数据，集中读

14、写（写（b b大）才能更好提高传输效率。大）才能更好提高传输效率。 西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月例子西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月时间比较西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.2 磁盘调度 目标：减少寻道时间目标：减少寻道时间一、一、FCFSFCFS（Fisrt Come First SecondFisrt Come First Second）特点：简单，寻道时间长，相当于随机访问模式。特点：简单，寻道时间长，相当于随机访问模式。二、二、SSTFSSTF（最短寻道优先）（最短寻道优先）三、扫描算法。三、扫描算法。1.1.进程进程“饥饿现象饥饿现

15、象”SSTFSSTF存在。存在。2.SCAN2.SCAN算法：算法：在移动方向固定的情况下采用了在移动方向固定的情况下采用了SSTFSSTF，以避免饥，以避免饥饿现象饿现象 2007年1月FCFS调度算法 SSTF调度算法100道开始道开始被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道移动距离移动距离5545583391918219072160701501038112184146平均寻道长度：平均寻道长度：55.3100道开始道开始被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道移动距离移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：平均寻道长度：27.5西华大学数

16、学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.2 磁盘调度四、循环扫描四、循环扫描CSCANCSCAN（图（图9-59-5）一个方向读完，不是象一个方向读完，不是象SCANSCAN那样回头，而是循环。那样回头，而是循环。访问时间：访问时间：2T2TT+SmaxT+Smax五、五、NStepSCANNStepSCAN和和FSCANFSCAN算法。算法。1. NStepSCAN1. NStepSCAN粘臂：由于连续对某磁道访问引起的垄断访问，将磁盘请求队列粘臂：由于连续对某磁道访问引起的垄断访问，将磁盘请求队列分为长为分为长为N N的子队列的子队列m m个，如下图处理。当个，如下图处理。当N=1N=

17、1时，为时，为FCFSFCFS。当当N N时，为时，为SCAN.SCAN.西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.2 磁盘调度2.FSCAN 2.FSCAN 2007年1月SCAN调度算法 CSCAN调度算法100道开始，增加方向道开始，增加方向被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道移动距离移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：平均寻道长度：27.8100道开始，增加方向道开始，增加方向被访问的下一个被访问的下一个磁道磁道移动距离移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度

18、：平均寻道长度：27.5西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.3 磁盘高速缓存形式形式逻辑上是磁盘、物理上是驻留在内存中的盘块逻辑上是磁盘、物理上是驻留在内存中的盘块固定大小和可变大小固定大小和可变大小数据交付方式数据交付方式数据交付指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进数据交付指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程程步骤：先查缓存、后查磁盘并更新缓存步骤：先查缓存、后查磁盘并更新缓存方式：方式：数据交付数据交付指针交付指针交付西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.3 磁盘高速缓存置换算法置换算法最近最久最近最久访问频率访问频率可预见性可预见性数据一致性：将需

19、要一致性的块放在替换队列的头部，数据一致性：将需要一致性的块放在替换队列的头部，优先回写。优先回写。周期性回写磁盘周期性回写磁盘例：例：msdos采用写穿透方式采用写穿透方式西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.4 提高磁盘I/O速度的其它方法提前读提前读延迟写延迟写访问频率高的磁盘块放在替换队列的尾部，减少回访问频率高的磁盘块放在替换队列的尾部，减少回写次数写次数优化物理块的分布优化物理块的分布目的是减小磁头移动距离目的是减小磁头移动距离簇分配方式：一个簇为多个连续的块簇分配方式：一个簇为多个连续的块虚拟盘（虚拟盘（RAM盘）盘）和磁盘高速缓存区别：虚拟盘由用户控制；磁盘高和磁盘高速缓存区别：虚拟盘由用户控制；磁盘高速缓存由系统控制。速缓存由系统控制。西华大学数学与计算机学院 蒋明礼2007年1月5.6.5 廉价磁盘冗余阵列西华大学数学与计算机